地震前红山台地磁变化及异常指标分析

2020-06-17畅国平王秀敏王志敏和少鹏张明哲张波尹小兵胡秀娟王利兵

高原地震 2020年1期

畅国平，王秀敏，王志敏，和少鹏，张明哲，张波尹小兵，胡秀娟，王利兵

(1.河北省地震局红山基准台，河北隆尧 055350；2.河北省地震局赤城地震台，河北赤城 075000)

0 引言

地球磁场是随时间和空间变化的物理量，太阳活动的影响产生变化磁场。变化磁场主要包含太阳静日变化、磁暴和地磁脉动等。地球磁场按来源划分为外源场和内源场。外源场是来源于外空电流体系产生的地球变化磁场；内源场通常指源于固体地球的磁场，主要部分是源于地球外核的主磁场，还有很小一部分是地壳磁性物质引起的磁场和外源场的感应场。感应场的变化不仅与外源场的强度和分布有关，而且还取决于地球内部电导率的分布。由已知外源场研究内源场与地下电导率分布关系的理论，找出地球磁场变化与地球内部电导率的关系[1]。在地震孕育过程中，孕震区地下介质的物理性质将发生变化，这其中包括了地下介质电导率的变化，围绕着如何提取这种电性的微弱变化，科研人员开展了大量的工作。通过理论分析和震例分析发现，地磁场Z分量与地下介质的关系最为密切[2-8]。加卸载响应比、垂直分量谐波振幅比等都是提取地下介质电导率变化信息很好的方法。

1 红山基准台概况

红山基准台始建于1966年邢台地震后，由著名地质学家李四光选址，中国科学院建立，属于国家基准台，是全国建台较早的地震台站。该台站海拔20 m,地处太行山山前断裂带—隆尧、束鹿断裂带南端，台基为红色石英砂岩。台站位置偏离城镇和村庄，周围干扰源很少，为观测提供了良好的环境。台站主要任务是监视邢台震区的地震活动情况，研究震情发展趋势，探索地震预报方法和途径[3]。

自1966年建台以来，红山台地磁观测一直连续记录到现在，积累了50多年的地磁观测宝贵资料。作为全国地磁观测的基准台，其地磁观测数据还承担着对外交换任务。加拿大、新西兰、哈萨克斯坦、希腊以及国内地震专家曾多次来红山台访问、学习和交流。地磁观测最早采用CB-3型和57型记录仪，FHD-1型质子矢量磁力仪和CJ6-8004地磁绝对观测仪。经“十五”数字化改造后，红山台目前仪器有地磁相对记录仪GM4磁通门磁力仪、质子矢量磁力仪FHD-2B仪、地磁绝对观测仪Mingeo-DIM和TDJ2E-NM磁通门经纬仪以及G856质子旋进式磁力仪。近年来红山台地磁观测资料在全国和全省评比中都名列前茅，其观测资料连续可靠有很高的利用价值[4-5]。

2 资料的选取及计算方法

本文选取2002年1月1日至2015年12月31日红山台地磁垂直分量Z的观测资料，结合河北省内其它地磁台站，利用地磁加卸载响应比、日变幅逐日比和空间相关分析法，研究分析了红山台2002～2015年地磁垂直分量观测资料与河北省及邻区地震之间的关系，提取了地磁异常变化信息，并给出了适用于红山台的映震指标参数。

2.1 地磁加卸载响应比

太阳风以紫外线辐射和粒子流辐射两种形式影响地球磁场，形成磁暴、磁扰和磁静日的变化磁场。加卸载响应比理论是参考尹祥础和尹灿、曾小平等提出的测震学理论[1]，将此方法运用到地磁学研究中。其理论是：太阳风对地球平均5～6天有一次较强的冲击—暴风，并使地球产生强烈振动—磁暴。外空场的变化直接影响到地磁场的日变形态，构成对地磁场的一个加载、卸载过程。以太阳日照为加载，无日照为卸载。由于Z分量较其他地磁分量与地下介质的关系更为密切，因此，在研究过程中以Z分量为主。在正常情况下，加载与卸载之比P(Z)接近一个常数，若地磁场本身有异常夹在其中，很可能使加载与卸载之比超出正常值变化范围，产生异常变化。因此，取地球磁场的暴时变化Dst(Z)作为太阳风对地球加卸载响应,从而计算加卸载响应比P(Z)[2-3]。在实际操作中取Dst(Z)为每日的Z分量日变幅度：

P(Z)=Dst(Z)+/Dst(Z)-

(1)

其中，“+”为加载，“-”为卸载。

2.2 日变幅逐日比

地球变化磁场垂直分量日变幅是地球变化磁场的外场及由地球内部电性介质感应生成的变化内场叠加而成，它的大小不但受外场的控制，同时也受内场的影响。地球内部电性介质的变化必定影响其感应生成的内场，因此地球磁场垂直分量的日变化幅度可以反应地球内部介质电性性质的变化。曾小平等分析了地磁场垂直分量日变幅极大值及其后极小值之比值与地震的关系，发现高比值与台站周边地震有良好的对应关系。在应用该法的过程中，我们发现下面这个简单比值的高值与其台站周边地震也有良好的对应效果[2]。

(2)

其中A(t)为地磁垂直分量日变化幅度，t2=t1+1，(t1为观测日期)，本文将Y取名为地磁垂直分量日变化幅度逐日比值。

2.3 空间相关分析

地磁正常背景场的分布与变化具有空间上的相关性和时间上的延拓性。单台地磁日变幅逐日变化很复杂，即使变化很大也不能算作地震前的异常，必须消除地磁正常背景场的变化，突出与地震相关的磁异常。采用空间相关法分析异常体内外同时观测到的地磁场Z分量资料，可得到异常体的地震磁异常信息。该方法的优点是即使两个台站距离较大或长期变化不太一致，也能较好地消除正常背景场和长期变化的影响，进而反映出微弱的震磁信息。

地磁场Z分量与地下介质的关系最密切。设A、B两个台站地磁Z分量日变化幅度为ZA、ZB，且成线性相关[3]，即：

ZBi=bZAi+a(i=1，2,……,N，N为计算相关系数窗长)

(3)

3 结果分析

本文以2002～2015年发生在河北省及邻近地区MS≥4.0的中强地震作为研究震例，地震的基本参数见表1。

表1 2002～2015年河北及邻区MS≥4.0地震

图1 红山台地磁Z分量日变化响应比曲线

3.1 加卸载响应比

地磁加卸载响应比方法是利用能较好反应地下介质导电性质的响应比P(Z)作为响应函数，以正常情况下的时间变化和空间分布作为背景，研究地震的孕育过程。本文计算了红山台2002～2015年间的P(Z)值(图1)，并将P(Z)≥3.0定为异常值，结果显示14年中共出现异常13组16次(1次异常出现后在3个月内出现多次异常的为1组，异常时间以第1次异常时间为准)，其中对应地震7次，漏报地震3次，虚报10次，加卸载响应比异常与地震对应情况(表2)。加卸载响应比出现异常信度较高，可能是地震前红山台及周围地区的磁场发生了变化，从而导致地球介质的电导率发生了变化，反映出这种现象在震前是客观存在的，为红山台今后加卸载响应比预报地震提供了依据。

表2 红山台地磁Z分量响应比异常及与Ms≥4.0地震对应情况统计

3.2 日变幅逐日比

地磁垂直分量日变幅逐日比方法是利用能较好反应地下介质导电性质的逐日比Y(Z)作为响应函数，以正常情况下的时间变化和空间分布作为背景，研究地震前由于电导率变化引起的磁逐日比异常来预测地震。本文计算了红山台2002～2015年的Y(Z)值(图2)，并将Y(Z)≥2.6定为异常值，结果显示14年中共出现异常7组9次(1次异常出现后在5个月内出现多次异常的为1组，异常时间以第1次异常时间为准)，其中对应地震5次，虚报地震2次，漏报地震1次(表3)。地磁垂直分量日变幅逐日比出现异常信度较高，可能是地震前在红山台及周围地区的磁场发生了变化，从而导致地球介质的电导率发生了变化，反映出这种现象在震前是客观存在的，为红山台今后地磁垂直分量日变幅逐日比预报地震提供了依据。

图2 红山台地磁Z分量日变幅逐日比变化曲线

表3 红山台地磁Z分量日变幅逐日比异常及与Ms≥4.0地震对应情况统计

3.3 空间相关分析方法

应用磁电异常分析软件，选取窗长为21天，计算了2009～2015年河北省6个台站地磁Z分量日变化幅度相对红山台Z分量日变化幅度空间相关系数，其中承德台在2009年12月31日～2011年12月6日和新乐台在2009年1月1日～2011年12月7日缺数，不参与计算。

图3 河北省各台站相对红山台地磁Z分量日变化幅度空间相关曲线(横线为阈值R=0.90)

由图3可以看出，在2009年3月4日至16日有1组异常，最低相关系数在承德台为0.839，异常结束12天后，3月28日发生山西原平Ms4.3级地震；2009年11月24日至12月21日有1组异常，最低相关系数在丰宁台为0.688，异常结束4个月后，2010年4月4日山西大同发生了Ms4.2级地震；2011年1月22日至2月1日有1组异常，最低相关系数在丰宁台为0.821，异常结束1年3个月后，2012年5月28日河北唐山发生了Ms4.8级地震；2015年3月24日至4月4日有1组异常，最低相关系数在涉县台为0.727，异常结束5个月后，2015年9月14日河北昌黎发生了Ms4.2级地震。河北各地磁台相对红山台Z分量日变幅空间相关系数曲线出现不同程度的同步低值异常，且异常结束12天至15个月后发生地震4次，异常幅值都低于0.90，所以将R≤0.90设定为异常值，该定量指标可供研究河北地区震情跟踪提供参考。